【文章內(nèi)容簡介】 穩(wěn)泡劑能穩(wěn)定泡沫的原因有兩點：一是它們能形成致密的混合膜，增加了表面活性劑分子間的引力；二是降低了溶液中的活性劑濃度，因而增長了表面張力達到平衡的時間，使泡沫趨于穩(wěn)定。（3） 表面粘度表面粘度是指表面膜液體單分子層內(nèi)的粘度。這種粘度主要是表面活性分子在其表面單分子層內(nèi)的親水基間相互作用及水化作用而產(chǎn)生的。表面粘度越高，表面吸附分子排列越緊密，表面粘度越高，氣體透過性越差，則泡沫越穩(wěn)定。（4） 溶液粘度溶液粘度影響液膜的排液過程。由于液膜是由兩層表面活性劑中夾一層溶液構(gòu)成，如果液體本身的粘度較大，則液膜中的液體不易排出，液膜厚度變薄的速度較慢，因而延緩了液膜破裂時間，增加了泡沫的穩(wěn)定性。但是應(yīng)該注意，液體內(nèi)部粘度僅為一輔助因素，若沒有表面膜形成，即使內(nèi)部粘度再大也不一定能形成穩(wěn)定泡沫。若體系中既有增高液相粘度的物質(zhì)，又有增高表面粘度的物質(zhì)時，泡沫的穩(wěn)定性可大大提高。Sita等研究了水溶性聚合物對泡沫穩(wěn)定性的影響，%NaCl的水溶液中，加入羧甲基纖維素鈉鹽[30]，并測定了泡沫的有關(guān)參數(shù)，得出以下結(jié)論：水溶性聚合物的加入，提高了溶液的粘度，增加了泡沫重力排液松弛的時間，氣體擴散時間及泡沫半衰期。（5） 液膜表面電荷的影響如果泡沫液膜帶有相同符號的電荷，液膜的兩個表面將互相排斥，以防止液膜變薄乃至于破裂。在離子型表面活性劑的泡沫中，反離子不能中和表面活性劑同側(cè)的吸附電荷，而在泡沫中形成擴散層。（6） 壓力和氣泡大小的分布泡沫在不同壓力下穩(wěn)定性不同，一般是壓力越大，泡沫越穩(wěn)定。（7） 溫度的影響溫度對泡沫影響較大，一般情況下，泡沫穩(wěn)定性隨溫度的增高而下降。在低溫和高溫下泡沫的衰變過程不同。 低溫時，當(dāng)泡沫的液膜達到一定厚度時，泡沫就呈現(xiàn)出亞穩(wěn)定狀態(tài)，其衰變機理主要是氣體擴散。高溫時，泡沫的破滅由泡沫柱頂端開始，泡沫體積隨時間的增長有規(guī)律地減小。這是由于在最上面的液膜上側(cè)，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏感，溫度越高蒸發(fā)越快，膜變薄到一定厚度時，就破裂了。因此大多數(shù)泡沫在高溫下是不穩(wěn)定的。但是也有少數(shù)泡沫隨溫度的增高而穩(wěn)定性增加，原因可能是發(fā)泡劑的溶解度隨溫度的增高而增大。（8）黑膜在穩(wěn)定的泡沫表面，經(jīng)?？梢钥吹揭恍昂诎摺薄＿@是由于平衡時，穩(wěn)定泡沫的液膜通常很薄（約幾十納米），它們幾乎不反射光，所以被稱為黑膜。黑膜又可分為普通黑膜和牛頓黑膜。普通黑膜由于具有雙電層結(jié)構(gòu)，其厚度較大，并隨電解質(zhì)濃度的增大而減小。牛頓黑膜的厚度僅比形成它的表面活性劑分子的雙分子層厚度稍大一些，通常認為它的結(jié)構(gòu)是兩層表面活性劑分子中夾有一個薄水層。可通過改變?nèi)芤旱膒H值或電解質(zhì)濃度，將一種黑膜轉(zhuǎn)變成另一種黑膜，這種轉(zhuǎn)變是以平衡時膜厚度的突變?yōu)闃酥镜摹＃?） 泡沫質(zhì)量泡沫質(zhì)量是泡沫中氣體所占泡沫總體積的百分比。泡沫質(zhì)量對其穩(wěn)定性有決定性影響，這種影響隨泡沫衰變的主要機理不同而異。以排液為主要衰變機理的泡沫，其穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量的增加而增加；以氣體擴散為主要衰變機理的泡沫，其泡沫穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量增加而降低（溶液粘度較高、膜較厚的泡沫就屬于這種情況）。前者，因泡沫質(zhì)量提高，氣泡半徑變小，液膜變薄，排液速度降低；后者，由于泡沫質(zhì)量增加，加速了氣體擴散速度，泡沫變得不穩(wěn)定。綜上所述可看出，影響泡沫穩(wěn)定性的因素多種多樣，為了得到較穩(wěn)定的泡沫，我們應(yīng)該綜合考慮各種因素。 提高泡沫穩(wěn)定性的方法從上面的總結(jié)可以看出，目前關(guān)于泡沫穩(wěn)定性的理論還很不成熟，而且影響泡沫穩(wěn)定性的因素很多，所以只有在實際應(yīng)用中根據(jù)經(jīng)驗和實驗選擇合適方法來獲得穩(wěn)定泡沫。根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑，以降低液相的表面張力，增加液膜的強度和彈性。在泡沫中穩(wěn)泡劑起著不容忽視的作用。發(fā)泡劑體系產(chǎn)生的泡沫不夠穩(wěn)定，為提高泡沫的穩(wěn)定性，需加入泡沫穩(wěn)泡劑。泡沫的產(chǎn)生是由于空氣或其它氣體從液面下通入，液體發(fā)生膨脹，并以液膜將氣泡包圍而形成。在絕對純的液體下，通入氣體形成的氣泡，當(dāng)它們相互接觸或逸出液體時，就會立即破裂。通常要形成氣泡，需要有一個溶質(zhì)被吸附在液氣界面上才行。如果表面活性劑作為溶質(zhì)存在于溶液中，當(dāng)通入氣體時，表面活性劑分子被吸附在液氣表面界面上，并在界面兩邊形成單分子吸附膜，此時即可能形成氣泡。所形成的氣泡或泡沫可以是暫時性的，也可以是持久性的。暫時性的泡沫，壽命在數(shù)秒到幾十秒的范圍內(nèi)；而持久性的泡沫，壽命則可以從數(shù)時達到數(shù)天之久。無論形成暫時性的泡沫還是持久性的泡沫，圍繞著氣泡的液膜，都必須具有某種特殊形式的彈性，以抵制使膜局部減薄或伸展的作用，即使在膜伸展或減薄過程中，也會很快產(chǎn)生反抗伸展或減薄的應(yīng)力，這種性質(zhì)被稱為膜彈性。在以表面活性劑作溶質(zhì)時，所產(chǎn)生的泡沫，具有很好的膜彈性。膜彈性一般與表面活性劑水溶液達到平衡表面張力所需要的時間有關(guān)，也和表面活性劑的一些性質(zhì)有關(guān)，例如在低于臨界膠束濃度時，隨著表面活性劑濃度的降低，表面張力是迅速增加的。膜彈性是產(chǎn)生泡沫的必要條件，但還不是形成持久性泡沫的充分條件。泡沫要持久，還必須存在這樣一種功能，即當(dāng)泡沫遭受機械沖擊或達到某種臨界厚度時，有一種作用能夠延遲液體或氣體從泡沫中流失，以防止薄膜的破裂。這種決定泡沫穩(wěn)定的重要因素就是表面活性劑溶液從薄膜內(nèi)部流失的程度和速度。因為流失會導(dǎo)致膜變薄，當(dāng)膜達到臨界厚度（50～100μm）時，膜就會自動破裂。從泡沫的生成和破裂的過程來分析，泡沫初生時，薄膜比較厚，這時重力引起的流失是主要的。由此可見，要能夠延遲溶液從薄膜內(nèi)部流失，就必須克服由重力和表面張力引起的流失。通常通過加入另一種表面活性劑泡沫穩(wěn)泡劑來達到這個目的。同時，考慮地層條件下巖石的組成及性質(zhì)，還要考慮粘土穩(wěn)定劑等添加劑。 多孔介質(zhì)中泡沫產(chǎn)生機理泡沫的產(chǎn)生有三個機理，分別為液膜遺留（或氣泡超越）、氣泡截斷和液膜分割。當(dāng)氣體流速大于某一流速（稱為臨界流速）時，以截斷和液膜分割的機理生成流動液膜；當(dāng)氣體的流速低于臨界流速時，由遺留機理生成靜止泡沫。截斷是泡沫產(chǎn)生最主要的機理。 截斷截斷是孔隙介質(zhì)中泡沫產(chǎn)生的很重要的機理，不管表面活性劑存在與否，在孔隙介質(zhì)中的多相流過程會反復(fù)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。因此，截斷被公認是孔隙介質(zhì)中一般的力學(xué)過程。圖14 截斷機理示意圖圖15 帶尖角孔隙的橫截面圖圖14a圖解說明了一個指狀氣泡進入一個初始被潤濕液體充滿的孔隙的收縮處時的情況?？紫妒前霃綖镽c的斷面（陰影部分）之間的空間。當(dāng)氣泡接近喉道時，界面的曲率和相應(yīng)的毛管壓力上升為入口的平衡值。當(dāng)氣泡前緣進入下游的孔隙時，潤濕的液體仍然在轉(zhuǎn)角處保持流動（圖15），而氣泡前緣處的曲率和相應(yīng)的毛管壓力隨著界面的擴展而下降。毛管壓力梯度產(chǎn)生了一個液體壓力梯度，其方向是從孔隙體指向孔隙喉道的。液體則沿著轉(zhuǎn)角被驅(qū)向孔隙喉道，在喉道處液體累積成頸口狀（圖14b），并逐漸發(fā)展（圖14c），其下游氣泡前緣的主曲率半徑大約是Rc的兩倍，其收縮不是很明顯。若收縮很明顯，就可以形成一個穩(wěn)定的頸口。因此，孔隙介質(zhì)中泡沫發(fā)生時的位置或其萌生的位置必須滿足孔隙喉道的尺寸比大于2，還要求有足夠的潤濕液體。截斷所產(chǎn)生的氣泡的尺寸接近孔隙體的尺寸。不能通過截斷在孔隙喉道處直接產(chǎn)生一個液膜。Chambers和Radke指出，當(dāng)新形成的氣泡與另一個氣泡相碰撞時，則產(chǎn)生液膜。若在潤濕液體中不存在起穩(wěn)固作用的表面活性劑，則被截斷的氣泡會很快聚并，從而產(chǎn)生氣體連續(xù)的通道，截斷以及其后的聚并是多相流的一個基本的組成部分。 液膜分割液膜或氣泡的分割開始于對泡沫氣泡或液膜的細分。因此，必須預(yù)先存在移動的泡沫氣泡。圖16所示為液膜分割的圖解說明。當(dāng)泡沫氣泡遇到一個具有兩個方向的分叉點時，沿著分叉點界面伸展，并進入兩個路徑。初始的氣泡分成兩個分開的氣泡，并繼續(xù)向下游移動。圖16 分割機理示意圖有幾個因素支配一個液膜是否分割。首先，當(dāng)泡沫氣泡的尺寸比孔隙體的尺寸小時，不會被分割，而是沿著其中的一個通道繼續(xù)流動。但是，若氣泡尺寸比孔隙體大，以至于泡沫的液膜跨越孔隙空間，會逐漸地出現(xiàn)分割。此外，由于遇到分割點的液膜必須形成兩個新的Plateau邊界（圖16b），液膜可能在這個過程中被排液和聚并。其次，氣泡分割的可能性依賴于周圍孔隙的占用率。當(dāng)不存在環(huán)繞分叉點的泡沫氣泡或液膜時可能發(fā)生分割。但是，在被捕集的泡沫氣泡附近極大地減少了分叉點的個數(shù)。在分叉點處靜止的氣泡或液膜把分叉的流動轉(zhuǎn)移向其中的一個路徑，起到能變形的孔隙壁的作用。此時，分割被阻止。 超越圖17所示為泡沫產(chǎn)生的第三個機理。當(dāng)兩個氣泡半月形前緣侵入相鄰的充滿液體的孔隙體時（圖17a），開始發(fā)生超越現(xiàn)象。當(dāng)兩個前緣在下游聚合時，一個透鏡體被超越在后面。只要毛管壓力不太高，壓力梯度不太大，就會形成靜止的穩(wěn)定的透鏡體（被液膜包圍的巖石顆粒）。以后，該透鏡體可能排液，變?yōu)楸∧?。圖17 超越機理示意圖通過超越所產(chǎn)生的透鏡體一般被確定為與當(dāng)?shù)氐牧鲃樱丛诋a(chǎn)生超越的孔隙內(nèi)的流動）方向相平行，并且不能使氣相間斷。如果超越只是產(chǎn)生透鏡體或液膜的形式，則產(chǎn)生的泡沫是氣體連續(xù)的。單純由超越所產(chǎn)生的泡沫會使穩(wěn)定氣體的滲透率降低約5倍，反之，通過截斷產(chǎn)生的不連續(xù)氣體的泡沫使氣體的流度降低幾百倍。我們認為截斷是泡沫產(chǎn)生的主要機理，尤其是在同時注入表面活性劑溶液和氣體時。從貝雷砂巖中流出的氣泡尺寸的測量表明，隨著氣體流速的增大，泡沫氣泡變粗。氣體流速越高，則分割速度越高。因此，若通過分割產(chǎn)生的氣泡是主要的，則像經(jīng)常觀察到的一樣，泡沫不是剪切變稀的。根據(jù)被捕集的泡沫的有效分數(shù)，泡沫的剪切變稀的性質(zhì)以及靜止泡沫氣泡存在時氣泡有效分割位置的減少程度的研究，在砂巖上分割不會成為流動液膜的主要來源。超越是一個不可逆的過程，只用這個過程不能夠說明泡沫的高的流動阻力。最后，在透明的、磨砂玻璃微觀模型中所進行的泡沫產(chǎn)生過程直接的觀察研究表明，截斷機理占優(yōu)勢。第2章 起泡劑的篩選 實驗方法由于泡沫發(fā)泡機理復(fù)雜，影響因素多而且不易控制，迄今還沒有一個統(tǒng)一的普遍適用的檢測方法。現(xiàn)有方法按發(fā)泡方式可分為兩大類，即氣流法和攪動法[31]。攪動法又可分為2種，一種是利用機械方法攪打試液使之起泡，另一種是以一部分試樣以固定的方式注入另一部分試樣中形成泡沫，測定泡沫高度及其衰減速度來表征溶液的起泡性和穩(wěn)泡性。本次實驗采用的是氣流法。氣流法實驗過程：以一定流速和流量的氣體通過定量測試溶液，一定量的泡沫在刻度容器（度量筒中）形成。改變通氣時間，記錄不同氣液比條件下的泡沫高度和泡沫半衰期，考察發(fā)泡體系的最大起泡能力和穩(wěn)定性。 實驗儀器MRM—RI型羅氏泡沫儀，恒溫水浴，氣瓶，D0711氣體質(zhì)量流量控制器和D088C流量顯示儀、BL6100電子天平（d=）、（d=）和燒杯等。 實驗步驟（1）在羅氏泡沫儀量筒內(nèi)裝入100mL配置好的表面活性劑溶液；（2）打開恒溫水浴，讓水在夾套量筒環(huán)空內(nèi)循環(huán)，使環(huán)空溫度達到指定實驗溫度；（3）打開D0711氣體質(zhì)量流量控制器和D088C流量顯示儀電源，預(yù)熱15min，待零點穩(wěn)定后通氣，設(shè)定控制流量后開始工作（注意：~）；（4）改變通氣量（即氣液比），讀取發(fā)泡體積Vf，泡沫半衰期t1/2，計算泡沫綜合指數(shù)FCI。在油田上，泡沫應(yīng)用中的發(fā)泡劑除了能較大地降低氣液界面的表面張力外，還必須具備下列條件：①起泡能力強(即在相同情況下，生成的泡沫量多)；②形成的泡沫具有一定的穩(wěn)定性，即泡沫不易破裂，半衰期長；③對地層條件(如：溫度、礦化度等)有一定的適應(yīng)能力。這三項性能也是本試驗篩選發(fā)泡劑的三大原則。在45℃條件下，污水礦化度4300mg/L，%，利用MRMRI型羅氏泡沫儀，改變氣液比，對HP系列、HY系列和其它類型，共計10種表面活性劑進行發(fā)泡性能評價。各活性發(fā)泡劑所屬類型：一是陰離子型發(fā)泡劑：HYHYHYHYORS、BG10；二是陽離子型發(fā)泡劑：HPHPHP4；三是非離子型發(fā)泡劑：DY1。（1）發(fā)泡劑起泡能力比較泡沫產(chǎn)生的體積Vf越大，起泡能力越好。將泡沫的體積Vf折算成泡沫的高度h，做出氣液比與泡沫高度關(guān)系曲線。實驗結(jié)果表明：起泡能力從強到弱的發(fā)泡劑類型依次是：陰離子型發(fā)泡劑陽離子型發(fā)泡劑非離子型發(fā)泡劑。圖21 不同類型發(fā)泡劑起泡能力比較從圖21可以看出：一是發(fā)泡劑類型對發(fā)泡高度影響不大，HY系列發(fā)泡劑發(fā)泡高度較高，最高在30cm左右，表面活性劑DY1發(fā)泡性能最差。二是各種發(fā)泡劑的發(fā)泡高度都是隨著氣液比的增加而增大。（2）泡沫穩(wěn)定性比較產(chǎn)生泡沫穩(wěn)定性用泡沫半衰期t1/2表示，t1/2值越大，表示泡沫越穩(wěn)定。一是10種表面活性劑產(chǎn)生的泡沫的半衰期相差很大，HY系列表面活性劑產(chǎn)生泡沫穩(wěn)定性較好，半衰期最長的是HY3型表面活性劑，泡沫半衰期最高達到814s。二是氣液比越大，泡沫半衰期越長，泡沫穩(wěn)定性越好。但氣液比對10種表面活性劑產(chǎn)生泡沫的半衰期影響程度各不相同。一部分表面活性劑氣液比影響不大，隨著氣液比的增加，泡沫半衰期緩慢增長，如HYBGORS等表面活性劑；另一部分表面活性劑氣液比影響較大，隨著氣液比的增大，泡沫半衰期大幅度增加，如HYHY4等表面活性劑。圖22 不同類型發(fā)泡劑生成泡沫的穩(wěn)定性比較（3）不同類型發(fā)泡劑綜合性能比較圖23 不同類型發(fā)泡劑綜合性能比較由圖23可以看出，發(fā)泡劑類型不同，泡沫綜合指數(shù)相差很大。隨著氣液比的增加，泡沫綜合指數(shù)隨之增大。泡沫綜合指數(shù)較大的是HY系列表面活性劑。其中形成泡沫綜合指數(shù)最高的是HY3表面活性劑，氣液比4：1以后，綜合指數(shù)達到10000以上。通過以上實驗，初步認為HY3類系列表面活性劑是一種比較好的發(fā)泡劑，具有很好的起泡效果，并且所產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性較好。選擇HY3類表面活性劑作為發(fā)泡劑進行泡沫影響因素研究。第3章 復(fù)合泡沫體系影響因素研究復(fù)合泡沫體系在地層中的滲流過程中，其穩(wěn)定性的好壞決定了泡沫體系的滲流能力和滲流距離。人們希望泡沫具有好的穩(wěn)定性，泡沫若不穩(wěn)定，會很快發(fā)生衰變，泡沫的衰變主要是由于泡沫中液體的析出和氣體穿透液膜擴散造成的。本節(jié)使用陰離子表面活性劑H